Как реакционные колеса позволяют стабильно визуализировать космические астрономические инструменты

Почему в космической астрономии важна стабильность

Космические астрономические инструменты работают далеко над атмосферой Земли, что искажает и блокирует большую часть света от далеких объектов. Однако даже в вакууме космоса эти инструменты сталкиваются с огромными проблемами при захвате резких изображений. Космический корабль должен поддерживать чрезвычайно точную стабильность направления - часто в течение нескольких миллисекунд - при движении между целями или отслеживании движущегося объекта в течение нескольких часов. Без такой точности изображения будут размываться, слабые сигналы будут потеряны, а научная полезность инструмента будет падать. Инженеры решили эту проблему в первую очередь с помощью умного электромеханического устройства: реакционного колеса.

В то время как двигатели могут изменять ориентацию космического корабля, они потребляют конечное топливо и придают толчки, которые нарушают чувствительную оптику. Колеса реакции обеспечивают более плавную, более эффективную альтернативу, позволяя стабильно, долгосрочное указание, что современные телескопы требуют. Эта статья исследует физику, инженерию и применение колес реакции в космических астрономических инструментах, от космического телескопа Хаббла до космического телескопа Джеймса Уэбба и за его пределами.

Что такое реакционные колеса?

В основе реакционного колеса лежит вращающийся маховик, прикрепленный к электродвигателю внутри космического корабля. Когда двигатель ускоряет или замедляет колесо, сохранение углового момента заставляет сам космический корабль вращаться в противоположном направлении. Управляя скоростью одного или нескольких колес, инженеры могут вращать корабль вокруг любой оси с высокой точностью и без вытеснения топлива. Этот принцип, укорененный в третьем законе Ньютона, позволяет осуществлять тонкий контроль отношения, который необходим для астрономической визуализации.

Физика за реакционными колесами

Фундаментальная физика проста: реакционное колесо является частью замкнутой системы. Космический корабль плюс колесо имеют полный угловой момент, который остается постоянным, если на систему не действует внешний крутящий момент. При изменении скорости колеса космический корабль должен вращаться в противоположном направлении, чтобы сохранить угловой момент. Угол вращения космического корабля пропорционален изменению скорости колеса и соотношению момента инерции колеса к космическому кораблю. Это соотношение дает инженерам точный контроль: небольшое изменение скорости колеса производит небольшое, предсказуемое вращение.

Для трехосевой стабилизации большинство космических аппаратов используют три реакционных колеса, установленных ортогонально, каждое из которых управляет вращением вокруг одной оси (пич, рык, крен). Некоторые миссии добавляют четвертое колесо с перекосом для резервирования в случае отказа. Колеса могут вращаться со скоростью от нуля до нескольких тысяч оборотов в минуту, в зависимости от конструкции и требований миссии.

Компоненты реакционной сборки колеса

Типичный реакционный колёсный агрегат состоит из нескольких ключевых частей:

• Полетное колесо: Плотный, точно сбалансированный ротор, часто выполненный из металла или композитного материала. Его массовое распределение определяет момент инерции, который диктует количество крутящего момента, которое может придать колесо.
• Электродвигатель: Бесщеточный двигатель постоянного тока, ускоряющий или замедляющий маховик. Мотор управляется приводным электронным блоком, который получает команды от системы управления установкой космического корабля.
• Подшипники: Высокоточные подшипники, часто с смазкой, оптимизированной для вакуума и экстремальных температур, поддерживают вал, минимизируя трение и износ.
• Жилье: Запечатанный корпус, защищающий колесо от загрязнения и обеспечивающий конструктивную поддержку. Он также включает в себя функции управления теплом для рассеивания тепла, выделяемого двигателем.
• Скорость датчика: Устройство, такое как тахометр или оптический кодер, обеспечивающее обратную связь в реальном времени по скорости колеса в систему управления.

Реакционные колеса с пространственным рейтингом должны выдерживать вибрации запуска, тепловой цикл и воздействие радиации. Они обычно рассчитаны на срок службы 5-15 лет, хотя многие из них превзошли ожидания.

Как реакционные колеса обеспечивают стабильную визуализацию

Стабильная визуализация в космосе требует от телескопа поддержания фиксированной линии обзора с минимальным джиттером, часто в течение длительных периодов.Реакционные колеса достигают этого с помощью трех основных механизмов: тонкого управления наведением, отторжения возмущений и длительного наблюдения.

Прекрасный контроль точки

Система управления положением космического аппарата использует реакционные колеса для очень небольших быстрых регулировок ориентации телескопа. Например, когда космический телескоп Хаббл наблюдает за звездой, он должен удерживать свою цель в пределах нескольких тысячных долей угловой секунды. Колеса могут изменять скорость на доли оборота в минуту, чтобы производить крошечные крутящие моменты, необходимые для этого уровня точности. Контур управления работает на высокой частоте — часто 10 Гц или более — непрерывно корректируя любой дрейф или внешние возмущения.

Этот тонкий контроль особенно важен для коронографов и интерферометров, где даже несоответствие субарксекунды может разрушить наблюдение. Колеса реакции обеспечивают плавный, непрерывный крутящий момент, который не могут предложить двигатели, что делает их незаменимыми для визуализации с высоким разрешением.

Отказ от возмущения

Космические аппараты на орбите подвержены многочисленным внешним крутящим моментам: давлению солнечного излучения, гравитационным градиентным эффектам, магнитным полям и даже крошечному воздействию микрометеороидов. Без активной компенсации эти силы медленно заставляют телескоп отклоняться от цели. Колеса реакции противодействуют этим возмущениям, применяя равные и противоположные крутящие моменты. Система управления измеряет отношение космического корабля (с помощью звездослежителей, гироскопов или тонких датчиков наведения) и командует колесами вращаться вверх или вниз, чтобы отменить любое нежелательное вращение.

Например, космический телескоп Джеймса Уэбба, который работает в точке Лагранжа Солнце-Земля L2, испытывает постоянное давление солнечного излучения на своем большом солнцезащитном щите. Реакционные колеса поглощают эти крутящие моменты, позволяя телескопу поддерживать точную направленность, не полагаясь на двигатели, что нарушит деликатную оптику и потребляет драгоценное топливо.

Долгосрочный взгляд

Многие астрономические наблюдения требуют, чтобы телескоп часами или даже днями смотрел на одну цель, чтобы собрать достаточно фотонов от слабых объектов, таких как далекие галактики или транзитные экзопланеты. За это время космический корабль не должен отклоняться от своей цели. Колеса реакции могут поддерживать необходимый крутящий момент в течение длительных периодов времени, потому что они не потребляют топливо и могут работать непрерывно на умеренных скоростях. Эта способность позволила совершить прорыв в фотометрии транзита экзопланет, где минутное затемнение света звезды должно измеряться в течение многих часов.

Космический телескоп Кеплер, который использовал реакционные колеса для точного указания, во многом обязан своей успешностью этой стабильности. Кеплер в течение четырех лет смотрел на один участок неба, непрерывно отслеживая яркость более 150 000 звезд. Без точного, постоянного контроля реакционных колес обнаружение крошечных провалов в яркости, вызванных орбитальными планетами, было бы невозможно.

Преимущества перед другими методами контроля отношения

Хотя реакционные колеса не являются единственным способом управления ориентацией космических аппаратов, они предлагают различные преимущества для астрономических инструментов.

• Высокая точность: Колеса могут производить очень тонкие крутящие моменты, обеспечивая точность направления в субарксекунде.
• Никакого расхода топлива: В отличие от двигателей, реакционные колеса требуют только электрической энергии, которая может быть произведена солнечными батареями. Это продлевает срок службы и уменьшает массу.
• Низкая вибрация: Хотя колеса не совсем без вибрации, они производят гораздо более плавные крутящие моменты, чем при стрельбе двигателя, сводя к минимуму размытие изображения от механических помех.
• Расход: С четырьмя колесами в тетраэдрической компоновке потеря одного колеса по-прежнему позволяет управлять тремя осями, повышая надежность миссии.

Гироскопы управляющего момента (CMG) предлагают альтернативу для больших космических аппаратов, таких как Международная космическая станция, но они тяжелее и сложнее.Для большинства космических телескопов реакционные колеса обеспечивают оптимальный баланс точности, эффективности и простоты.

Ограничения и стратегии смягчения

Реакционные колеса не лишены недостатков. Инженеры разработали несколько стратегий преодоления своих ограничений.

Реакция Насыщение колеса

Поскольку реакционное колесо может вращаться только в пределах определенного диапазона скоростей (обычно несколько тысяч оборотов в минуту), оно может поглощать только конечное количество углового момента. Когда колесо достигает своей максимальной скорости, оно считается «насыщенным» и больше не может обеспечивать управление в этом направлении. Для денасыщения колес космический корабль должен применять внешний крутящий момент, обычно через двигатели или магнитные крутящие моменты (катушки, которые взаимодействуют с магнитным полем Земли). Этот процесс называется демпингом импульса и выполняется периодически во время миссии.

Например, космический телескоп Хаббл использует магнитные крутящие момента для сброса импульса от своих реакционных колес. Это позволяет колесам продолжать работать в пределах своего нормального диапазона без расхода топлива. Однако миссии за пределами низкой околоземной орбиты (например, JWST) не могут полагаться на магнитные крутящие моменты, потому что межпланетное магнитное поле слабое или недоступное. Вместо этого они используют небольшие двигатели, которые потребляют топливо и должны быть тщательно спланированы.

Ношение и микровибрации

Реакционные подшипники колес работают в вакууме с ограниченной смазкой. За годы использования смазка может деградировать, увеличивая трение и заставляя колесо генерировать нежелательные вибрации. Эти микровибрации могут распространяться через структуру космического корабля и ухудшать качество изображения, особенно на высоких пространственных частотах. Инженеры смягчают это с помощью изоляторов вибрации между колесом и телескопом, тщательно балансируя колеса, и за счет изменения скорости колеса, чтобы избежать резонансных частот.

Некоторые новые миссии, такие как космический телескоп Нэнси Грейс Роман (ранее WFIRST), изучают использование «тихих» реакционных колес, разработанных с использованием передовых подшипниковых материалов и активного подавления вибрации. Эти инновации направлены на снижение джиттера до уровней, необходимых для коронаграфического прямого изображения экзопланет.

Одноточечные сбои

Хотя многие миссии включают избыточные колеса, отказ более чем одного колеса может поставить под угрозу миссию. Космический телескоп Kepler потерял два из своих четырех реакционных колес в 2013 году, закончив свое первичное обследование экзопланет. Однако инженеры творчески перепрофилировали оставшиеся колеса и использовали солнечное давление для стабилизации космического корабля для последующей миссии под названием K2. Это демонстрирует как уязвимость, так и устойчивость систем на основе реакционных колес.

Космические миссии с использованием реакционных колес

Космический телескоп Hubble

Запущенный в 1990 году, Hubble использует шесть реакционных колес (в том числе два избыточных) для достижения стабильности направления 0,003 угловых секунд. Колеса являются частью тонкой системы наведения, которая объединяет звездные трекеры и гироскопы для блокировки целей. За более чем три десятилетия реакционные колеса Hubble были заменены во время обслуживания миссий, но конструкция оказалась достаточно надежной, чтобы позволить новаторские открытия от изображений глубокого поля до атмосфер экзопланет. Обзор управления Хаббла НАСА , дает дополнительные детали.

JWST работает с шестью реакционными колесами (три первичных, три избыточных) в тетраэдрической конфигурации. Его точность направления еще более требовательна, чем у Хаббла, потому что он наблюдает в инфракрасном диапазоне, где тепловые возмущения должны быть сведены к минимуму. Телескоп имеет грубую систему направления, которая приводит к в пределах нескольких угловых секунд цели, затем реакционные колеса точно настраивают цель на миллироду. Колеса также противодействуют крутящему моменту от давления солнечного излучения солнцезащитного щита. Узнайте больше на странице системы направления JWST .

Миссия Европейского космического агентства Gaia, которая отображает более миллиарда звезд, использует реакционные колеса для достижения чрезвычайно тонких движений сканирования. Gaia медленно вращается, чтобы наблюдать небо, и колеса корректируют скорость своего вращения в пределах микроарксекунды в секунду. Успех миссии зависит от этого изысканного контроля, поскольку любое отклонение искажает астрометрические измерения. Производительность реакционных колес Gaia описана в документе Gaia, указывающем на производительность ESA.